TW201311914A - 半導體封裝用之銅合金線 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種半導體封裝用之銅合金線，其主要由銅合金材質製成，以100%的總組成成份重量百分比計算，該銅合金材質包括有0.01~0.65wt.%的貴金屬、0.05wt.%以下的稀土元素，以及剩餘重量百分比的銅；藉此，以熔融狀的銅合金製成之銅合金線不僅具有較佳之銲接成球性與接合性，亦具有高溫抗氧化的能力，同時藉由貴金屬(較佳係為鈀)以及稀土元素(可包含有鑭與鈰)使得本發明之銅鈀稀合金線於無塵室中可達到28天無氧化之功效，避免傳統接合銅線易氧化缺失。

Description

半導體封裝用之銅合金線
本發明係有關於一種半導體封裝用之銅合金線，尤其是指一種可解決傳統銅線氧化反應和鍍鈀銅線皮膜可靠度問題的銅鈀稀合金線，同時具有較佳之常溫與高溫抗氧化功效以及良好之銲接成球性與接合性者。
按，習知的電晶體、IC等半導體，或積體電路等組件，其連結電極與外部導線一般係以高純度4N系(純度>99.99mass(質量)%)的黃金與其他微量金屬元素製成的金線作為電性連接之接合線；然而，隨著金價不斷地飆漲，封裝業者對金線的替代品需求更形強烈；因此，在考量材料成本下，有業者採用銅製成的導線，然使用銅導線時，由於封裝用樹脂與導線的熱膨脹係數差異過大，隨著半導體啟動後溫度上升，因熱形成之體積膨脹對形成迴路的銅接合線產生外部應力，特別是對暴露於嚴酷的熱循環條件下的半導體元件，容易使銅接合線發生斷線問題；因此，針對上述缺失，有業者針對封裝用之接合銅線改良，請參閱中華民國發明專利公開第201207129號所揭露之『封裝用之接合銅線及其製造方法』，其中揭露一種封裝用之接合銅線，成分包括有銀(Ag)、添加物、以及銅(Cu)；其中，銀含量係0.1~3wt%；添加物係至少一選自由鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、 錫(Sn)、及金(Au)所組成之群組，且添加物之含量係0.1~3wt%；再者，銅與銀共晶相體積率佔全部體積的0.1~8%，且接合銅線抗拉強度250MPa以上，導電率在70%IACS以上；藉此，不僅使得阻抗和傳統金線相當或甚至更低(>70%IACS)，可達到更佳導電率，且硬度適中並易於銲接，更能進行球型銲接，於耐熱循環之嚴苛條件下亦能使用。
然，上述之接合銅線雖能滿足成本與銲接的要求，但卻有易氧化、壽命短的缺失，因此有業者藉由一表面塗層，其能為積體電路封裝，提供更佳之引線接合性能；請參閱中華民國發明專利公告第480292號所揭露之『適用於引線接合之鈀表面塗層及形成鈀表面塗層之方法』，其表面塗層係形成於一基板之上，包含一鈀層與一種或多種材料層；該一種或多種材料層係夾在基板與鈀層之間；當至少一種材料之硬度少於250(KHN50)時，該鈀層之硬度少於大約500(KHN50)；其中該鈀層之厚度最好大於0.075微米，以避免氧化物在其下材料層上形成；上述之基板材料可包含有銅或銅合金，藉由鍍鈀銅線來取代金線，不但可以節省約七成的材料成本，而且鍍鈀銅線於被使用時的可靠度(如耐高溫、高濕能力)也能符合要求，不過，卻因鍍鈀銅線的表面硬度偏高，且鍍鈀層厚度不均，造成封裝過程整體產出率差、良率偏低的問題，所以對半導體業者來說，鍍鈀銅線於打線接合封裝技術 上的使用，並無法有效評估線材品質並進一步地提高可靠度之功效；再者，於銅或銅合金鍍上鈀層使得打線接合成球時，易造成鈀層的偏析，進而導致接合界面剝離問題。
今，發明人即是鑑於上述現有半導體封裝用之接合線在實際實施上仍具有多處之缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。
本發明主要目的為提供一種半導體封裝用之銅合金線，尤其是指一種可解決傳統銅線氧化反應和鍍鈀銅線可靠度不佳問題的銅鈀稀合金線，同時具有較佳之常溫與高溫抗氧化功效以及良好之銲接成球性與接合性者。
為了達到上述實施目的，本發明人提出一種半導體封裝用之銅合金線，係由銅合金材質製成，以100%的總組成成份重量百分比計算，該銅合金材質包括有0.01~0.65wt.%的貴金屬(較佳係為鈀)、0.05wt.%以下的稀土元素，以及剩餘重量百分比的銅；藉此，以熔融狀的銅合金製成之鍍鈀稀合金接合線不僅具有較佳之銲接成球性與接合性，可提高線材之品質與可靠度，並一併解決傳統銅或銅合金鍍上鈀層所造成的偏析和歪球，進而導致接合界面剝離的問題。
在本發明的一實施例中，稀土元素可包含有鑭(La)或 鈰(Ce)其中之一，或兩者之組合；藉此，使得本發明之銅合金線不僅可於無塵室中可達到28天無氧化之功效，避免傳統之接合銅線易氧化的缺失，於大氣潔淨環境中其抗氧化性亦達14天以上；此外，本發明之鍍鈀稀合金接合線於175℃環境下，表層可達7天不剝離之功效，具有良好之高溫抗氧化能力。
本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。
首先，本發明之半導體封裝用之銅合金線係適用於印刷電路板之電路、IC封裝、ITO基板、IC卡等之電子工業零件之端子或電路表面；請參閱下表，係為本發明之半導體封裝用之銅合金線組成成分表，如下表所示，以100%的總組成成份重量百分比計算，銅合金材質係包括有0.01~0.65wt.%的貴金屬、0.05wt.%以下的稀土元素，以及剩餘重量百分比的銅；其中，貴金屬較佳係為鈀(Pd)，而稀土元素可包含有鑭(La)或鈰(Ce)其中之一，或兩者之組合，於本實施例係包括有鑭以及鈰兩元素。
再者，為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之目的、特徵以及所達成之功效，以下茲舉本發明之一種製造步驟實施例，然不限定以該步驟製成銅合金線；本發明並非於銅基材表面以電鍍或化學鍍方式進行塗佈(coating)，而是將上述組成成分之鈀、鑭、鈰以及銅等金屬材料依預設之重量百分比例投置入一熔爐中，以混煉製得一熔融狀的銅合金液體；接著，使銅合金液體經由鑄錠製造(ingot making)、輥軋(press roll)、主抽線(heavy drawing)、細抽線(fine drawing)、表面清洗、烘乾、定型退火(final annealing)、繞線(rewinding)等加工處理，以製成一銅合金線，再予使用在半導體元件的打線接合封裝製程中。
接著，藉由下述具體實際實施例，可進一步證明本發明之製程可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍：下表為銅合金線加入不同比例的鈀金屬以及比較添加稀土元素之氧化情形對照表；由表中可知鈀金屬和稀土元素的添加，對於銅合金線的抗氧化能力是有顯著影響的；舉例而言， 當鈀金屬的含量大於0.52wt.%後，其於室溫下皆可達到28天無氧化之功效，然既使鈀金屬的含量添加至0.75wt.%，175℃高溫7天無氧化之功效仍是無法達到；而當添加稀土元素(0.02wt.%)後，鈀金屬的含量僅需添加至0.25wt.%，於室溫下即可達到28天無氧化之功效，且當鈀金屬的含量於0.65wt.%以上，亦可達到175℃高溫7天無氧化之功效，意即本發明之鍍鈀稀合金接合線其表層可達7天不剝離之功效，具有良好之高溫抗氧化能力。
請再參閱下表另一具體實施例之比較表，為銅合金線於0.65wt.%的鈀金屬下，比較添加不同比例之稀土元素其成球性對照表；由表中可知當稀土元素之含量大於0.05wt.%後，因冶金均勻性不佳，導致成球性將由正圓球變成 偏心球，因此本發明之鍍鈀稀合金接合線係包含0.05wt.%以下的稀土元素含量。
再者，請參閱下表另一具體實施例之比較表，為銅合金線於不同比例的鈀金屬以及稀土元素下，量測其熱膨脹係數(COEFFICIENT OF THERMAL EXPANSION，CTE)之比較表；由表中可知於銅合金線中添加有鈀金屬以及稀土元素，可降低銅合金線的熱膨脹係數，有助改善熱疲勞可靠度，以減少結合界面剝離的現象發生。
最後，請再參閱下表另一具體實施例之比較表，為純銅 線、鍍鈀銅線以及本發明之銅合金線之金屬間化合物(intermetallic compound，IMC)於175℃/2000小時之環境條件下所量測之厚度比較表；可明顯看出於銅合金線中添加有鈀金屬以及稀土元素能降低金屬間化合物層厚度，進而提高Cu/Al界面可靠度。
由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點：
1.本發明將銅合金線添加鈀金屬以及稀土元素，使得銅合金線之抗氧化功效於無塵室以及大氣潔淨環境中分別達到28天以及14天以上，解決傳統之接合銅線易氧化的缺失，且本發明之鍍鈀稀合金接合線於175℃環境下，表層可達7天不剝離之功效，具有良好之高溫抗氧化能力。
2.本發明之鍍鈀稀合金接合線不僅可降低銅合金線的熱膨脹係數，有助改善熱疲勞可靠度，以減少結合界面剝離的現象發生外，亦能降低金屬間化合物層厚度，進而提高界面可靠度。
綜上所述，本發明之半導體封裝用之銅合金線，的確能藉 由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

Claims (3)

  1. 一種半導體封裝用之銅合金線，係由銅合金材質製成，以100%的總組成成份重量百分比計算，該銅合金材質包括有0.01~0.65wt.%的貴金屬、0.05wt.%以下的稀土元素，以及剩餘重量百分比的銅。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體封裝用之銅合金線，其中該貴金屬包含有鈀(Pd)。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之半導體封裝用之銅合金線，其中該稀土元素包含有鑭(La)或鈰(Ce)其中之一，或兩者之組合。
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